全學(xué)友,劉連杰,王仁燕,馬 松,嚴(yán) 勇

(1.重慶大學(xué)a.土木工程學(xué)院;b.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室,重慶 400045; 2.重慶市設(shè)計院,重慶 400015;3.中國中鐵八局集團第一工程有限公司,重慶 400050)

一種測試膠體與鋼質(zhì)基體間粘結(jié)剪切性能的新方法

全學(xué)友1a,1b,劉連杰1a,王仁燕1a,馬 松2,嚴(yán) 勇3

(1.重慶大學(xué)a.土木工程學(xué)院;b.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室,重慶 400045; 2.重慶市設(shè)計院,重慶 400015;3.中國中鐵八局集團第一工程有限公司,重慶 400050)

中國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)試驗方法中的單層金屬片搭接接頭拉伸剪切試件,由于粘結(jié)區(qū)剪應(yīng)力分布極不均勻,并在粘結(jié)面上產(chǎn)生很高的拉應(yīng)力,試驗結(jié)果不能真實反映膠體與金屬基體之間的粘結(jié)強度,只能作為膠體質(zhì)量的檢驗指標(biāo),不能作為強度條件使用。該文采用的組合圓盤粘結(jié)試件用于膠層粘結(jié)剪切性能測試時,膠層及結(jié)合面剪應(yīng)力分布很均勻,均勻系數(shù)可達(dá)0.97以上;膠層端部引入圓弧面并對鋼質(zhì)基體進(jìn)行倒角處理后,粘結(jié)面正拉應(yīng)力可以降低到20 MPa以下,不致引起受拉破壞,因此組合圓盤的測試結(jié)果能真實反映膠體與金屬基體之間的粘結(jié)剪切強度或剪壓復(fù)合強度,可作為粘結(jié)構(gòu)件承載力設(shè)計的強度條件使用。

膠體;鋼質(zhì)基體;粘結(jié)剪切性能;組合圓盤粘結(jié)試件

FRP(纖維增強塑料)依靠與粘結(jié)膠的粘結(jié)強度,以及粘結(jié)膠與基體混凝土或基體金屬之間的粘結(jié)強度,實現(xiàn)對混凝土結(jié)構(gòu)或金屬結(jié)構(gòu)的加固增強。在FRP端部以及混凝土裂縫兩側(cè)的粘結(jié)界面存在高剪應(yīng)力,使 FRP與基體之間易于出現(xiàn)剝離破壞[1-4]。碳纖維板端部外側(cè)補充粘貼一塊鋼板,并采用錨栓穿過鋼板后植入鋼筋混凝土梁內(nèi),或?qū)摪鍓涸诹憾酥ё耓5],可以推遲端部剝離破壞,提高梁的受彎承載力;為了在正常工作狀態(tài)下利用碳纖維材料的高強度,必須對碳纖維材料進(jìn)行預(yù)張拉,采用兩塊鋼板涂膠后將碳纖維片材粘貼于其間,固化后即可作為張拉夾具使用[6];預(yù)張拉的纖維復(fù)合材粘貼于鋼筋混凝土受拉面后,在纖維復(fù)合材端部表面粘貼鋼板并用錨栓固定于梁上,固化后可作為預(yù)應(yīng)力纖維復(fù)合材的錨具使用[6-7]。上述各種情況下,如要對端部錨固區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力分析或錨固承載力設(shè)計,必然需要使用到膠體與鋼質(zhì)基體之間的粘結(jié)剪切強度或剪壓復(fù)合強度,同時也需要膠體本身的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系。

已經(jīng)存在一些測試膠體與金屬基體之間粘結(jié)強度的標(biāo)準(zhǔn)方法。薄層金屬片構(gòu)成的單層搭接接頭[8-9]和雙層搭接接頭[10]試件廣泛用于測試膠體與金屬基體之間的粘結(jié)強度,但是由于膠層中的剪應(yīng)力分布極不均勻,并且存在很高的拉應(yīng)力,這種拉應(yīng)力往往控制了接頭的破壞,因此所獲得的剪切強度只是一個表觀剪切強度,只能用于膠體質(zhì)量評定,不能作為剪切強度條件使用[11]。

ASTM標(biāo)準(zhǔn)試驗方法[12]認(rèn)為厚層金屬搭接接頭區(qū)域的應(yīng)力分布較為均勻,可以測試膠體與金屬基體之間的粘結(jié)剪切強度,利用專門的位移測試系統(tǒng)可以獲得膠體受剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

J.Y.Cognard[13]與 P.Davies[14]對改進(jìn)的A rcan圓盤試驗裝置中膠體與厚層鋁合金基體之間的粘結(jié)應(yīng)力分布進(jìn)行了精細(xì)的有限元分析,表明可在平直的粘合面上形成較為均勻的剪應(yīng)力分布,并可以對粘結(jié)剪切強度和剪拉、剪壓復(fù)合強度進(jìn)行測試;利用專用的數(shù)碼相機系統(tǒng)對膠層的變形圖像進(jìn)行處理,可以獲得膠體在純剪及復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

但是,ASTM標(biāo)準(zhǔn)試驗方法[12]不能測試膠體與金屬基體之間在壓剪應(yīng)力狀態(tài)下的粘結(jié)強度,普通實驗室難以直接測試薄層膠體的變形,因此有必要發(fā)展一種在普通實驗室中即可完成膠體與金屬基體之間粘結(jié)性能測試的新方法。

1 組合圓盤試驗方法的提出

在中國材料和結(jié)構(gòu)實驗室中,具有位移控制功能的伺服試驗機系統(tǒng)已不鮮見。此處提出的新的試驗方法就是利用伺服試驗機的測力系統(tǒng)和內(nèi)置位移測試系統(tǒng),完成膠體與金屬基體之間粘結(jié)剪切強度和剪壓復(fù)合強度的測試,以及膠體本身在純剪狀態(tài)下以及剪壓復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的測試,基本原理如下：

根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)[12]測試膠體強度的原理,厚層金屬搭接接頭區(qū)域剪應(yīng)力分布較為均勻,因此提出圖1所示的鋼質(zhì)圓盤組合粘結(jié)件,利用伺服試驗機精確的測力系統(tǒng),既可進(jìn)行純剪粘結(jié)強度試驗(圖1(a)),也可完成剪壓復(fù)合強度試驗(圖1(b))。粘結(jié)件是由金屬完整圓盤經(jīng)線切割加工而成,粘結(jié)膠布置在對稱于直徑的窄縫內(nèi),粘結(jié)長度中點與圓心重合。

圖1 組合圓盤試驗裝置示意圖

試驗加載時,調(diào)整墊條中心線使壓力通過組合圓盤中心。假定組合圓盤粘結(jié)試件在伺服試驗機上的破壞壓力測試值為Pu,則粘結(jié)面上的平均正壓應(yīng)力σn和與之對應(yīng)的粘結(jié)剪切強度 τu如式(1)、(2)所示：

式中A和α分別為粘結(jié)面積和粘結(jié)面與壓力之間的夾角(≤90°)。

由于篇幅所限,利用組合圓盤在伺服試驗機上測試膠層剪切變形的方法將在另文介紹。

2 純剪受力條件下膠層的應(yīng)力狀態(tài)

2.1 膠層厚度的確定

作者設(shè)想組合圓盤不僅可以測試膠體與金屬基體之間的粘結(jié)性能,也可以測試膠體本身的力學(xué)參數(shù),還可用于測試碳纖維板層間受剪性能參數(shù)?？紤]到碳纖維板較多使用1.2mm厚規(guī)格,組合圓盤中膠層厚度按1.3 mm設(shè)計,以適應(yīng)對碳纖維板的性能試驗。

2.2 膠層長度兩端面平直時的應(yīng)力分布特性

為了掌握膠層及粘結(jié)面上的應(yīng)力分布,采用彈性平面有限元方法對純剪受力狀態(tài)下的組合圓盤進(jìn)行計算分析。計算模型如圖2(a)所示,膠層端面平直,見圖2(b);組合圓盤直徑80 mm,組合圓盤厚度25 mm,粘結(jié)面長度30mm。計算參數(shù)取值為：鋼質(zhì)基體彈性模量2.0×105MPa,泊松比0.2;膠體彈性模量2 500 MPa,泊松比0.2。按粘結(jié)面上平均剪應(yīng)力為14.0MPa計算,外加剪切荷載取值為10.50 kN。

圖2 計算分析模型

采用ANSYS有限元分析程序?qū)M合圓盤進(jìn)行計算。為了確保計算精度,參考了其它研究文獻(xiàn)的成果[14],將膠層單元在厚度方向的尺度控制在0.001mm左右,并取膠層單元長度不超過寬度的10倍。

圖3為膠層厚度中心平面處沿粘結(jié)面長度方向的剪應(yīng)力和正應(yīng)力分布,由圖可見剪應(yīng)力分布已相當(dāng)均勻,正應(yīng)力絕對值也相當(dāng)?shù)汀D4為粘結(jié)面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力分布,與中心平面相比較,粘結(jié)面靠近端部剪應(yīng)力和正應(yīng)力均出現(xiàn)峰值分布,拉應(yīng)力甚至高達(dá)111.6 MPa。

圖3 膠層中面剪應(yīng)力和正應(yīng)力分布

圖4 粘結(jié)面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力分布

為了評價膠層剪應(yīng)力分布特性,引入剪應(yīng)力均勻系數(shù)ke和剪應(yīng)力集中系數(shù)ks。參看圖5,剪應(yīng)力均勻系數(shù)ke定義為剪應(yīng)力分布曲線中位于平均剪應(yīng)力線以下的實際應(yīng)力分布面積Sshadow與平均剪應(yīng)力分布矩形面積SABCD之比,而剪應(yīng)力集中系數(shù)ks定義為峰值剪應(yīng)力smax與平均剪應(yīng)力se之比,即公式(3)、(4)：

顯然,當(dāng)剪應(yīng)力均勻系數(shù)ke=1.0時,表示分布長度范圍內(nèi)的剪應(yīng)力完全相同,即絕對均勻,此時剪應(yīng)力集中系數(shù)ks=1.0。

圖5 剪應(yīng)力分布特征參考圖

根據(jù)上述定義,圖3所示的膠層厚度中心平面剪應(yīng)力分布均勻系數(shù)為0.979,剪應(yīng)力集中系數(shù)為1.110,表明膠層厚度中心平面的剪應(yīng)力分布是相當(dāng)均勻的,剪應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯;圖4所示的粘結(jié)面剪應(yīng)力分布均勻系數(shù)為0.984,略優(yōu)于中心平面,但由于靠近端部存在剪應(yīng)力尖峰,剪應(yīng)力分布集中系數(shù)為1.321,略遜于膠層厚度中心平面。特別應(yīng)該強調(diào)的是,由于粘結(jié)面端部出現(xiàn)高達(dá)111.61 MPa的拉應(yīng)力,會導(dǎo)致粘結(jié)面受拉破壞,從而不能有效獲得膠層與金屬基體之間的粘結(jié)剪切強度,因此必須采取措施盡量降低粘結(jié)面上的拉應(yīng)力。

2.3 膠層長度兩端圓弧面的引入

為了精確控制粘結(jié)面的長度并期望改善粘結(jié)面端部應(yīng)力集中現(xiàn)象,在膠層長度兩端的金屬基體上設(shè)置圓孔構(gòu)造,如圖6所示。制作粘結(jié)件時,圓孔內(nèi)插入蠟紙卷或符合規(guī)定尺寸的表面具有油脂涂層的塑料棍,可精確控制粘結(jié)面的長度,防止膠體外流,并使膠體固化后在兩端形成圓弧面。有限元計算結(jié)果表明,在其它條件相同的情況下,引入圓孔后剪應(yīng)力分布均勻系數(shù)基本不變,但粘結(jié)面的剪應(yīng)力集中現(xiàn)象有所改善,正應(yīng)力峰值顯著降低。圖7為圓孔直徑2.5mm時膠層中面上剪應(yīng)力和正應(yīng)力分布曲線;圖8為粘結(jié)面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力分布曲線,此時粘結(jié)面上的最大正拉應(yīng)力為22.90 MPa,遠(yuǎn)低于膠層端面平直時的最大正拉應(yīng)力111.61 MPa。

圖6 膠層端部引入圓孔構(gòu)造

圖7 膠層中面剪應(yīng)力和正應(yīng)力分布

圖8 粘結(jié)面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力分布

2.4 圓孔的倒角處理

鑒于粘結(jié)面上的拉應(yīng)力過大會導(dǎo)致粘結(jié)受拉破壞,使得試驗結(jié)果不能有效反映粘結(jié)面的剪切受力特性,因此應(yīng)采取措施盡可能降低膠層中的正應(yīng)力。出于方便加工的考慮,并經(jīng)試算后確定在膠層端部圓弧面過渡區(qū)附近的金屬基體進(jìn)行倒角處理,如圖9所示。倒角自圓孔象限點起算,沿膠層長度方向的邊長為1.0 mm,沿膠層厚度方向的邊長為0.5 mm。圖10為圓孔直徑2.5mm并經(jīng)倒角處理后膠體厚度中面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力分布曲線,圖11為粘結(jié)面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力分布曲線。與倒角前比較,剪應(yīng)力均勻系數(shù)和應(yīng)力集中系數(shù)基本不變,但粘結(jié)面上的正應(yīng)力進(jìn)一步降低,拉應(yīng)力由倒角前的22.90 MPa降低為17.02 MPa。現(xiàn)行加固設(shè)計規(guī)范[15]對A級、B級膠鋼-鋼正拉粘結(jié)強度規(guī)定分別不小于33MPa和25 MPa,因此可以認(rèn)為前述倒角處理后的計算拉應(yīng)力已不會導(dǎo)致粘結(jié)面發(fā)生正拉粘結(jié)破壞。

圖9 膠層端部金屬基體倒角大樣

圖10 膠層中面剪應(yīng)力和正應(yīng)力分布

圖11 粘結(jié)面剪應(yīng)力和正應(yīng)力分布

3 剪壓復(fù)合分析

圓盤繞圓心旋轉(zhuǎn)一定角度后加壓(圖12),便可使膠層處于剪壓復(fù)合受力狀態(tài)。以旋轉(zhuǎn)30°為例,外加荷載Pu以在剪切面上形成14 MPa的平均剪應(yīng)力確定,其值為F=12.124 kN,此時粘結(jié)面上的平均正壓應(yīng)力為8.08 MPa。圖13、14分別為膠層中面、粘結(jié)面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力分布圖,由圖可見,此時膠層中面已不存在拉應(yīng)力,剪應(yīng)力和壓應(yīng)力分布都很均勻;粘結(jié)面上絕大部分長度上的正壓應(yīng)力分布很均勻,并接近平均壓應(yīng)力,端部拉應(yīng)力降低至11.64MPa。

圖12 旋轉(zhuǎn)角30°計算分析整體模型

圖13 膠層中面剪應(yīng)力和正應(yīng)力分布

圖14 粘結(jié)面剪應(yīng)力和正應(yīng)力分布

表1 不同端部邊界條件下膠層應(yīng)力分布特性

選定不同的膠層端部邊界條件進(jìn)行有限元計算分析,可作出表1所示的數(shù)據(jù)表格。表中數(shù)據(jù)表明,組合圓盤粘結(jié)試件中,各種情況下膠層的剪應(yīng)力分布相當(dāng)均勻,均勻系數(shù)可達(dá)0.97以上,但粘結(jié)面上的正拉應(yīng)力分布差異很大。當(dāng)膠層端面平直時,粘結(jié)面端部存在很高的拉應(yīng)力,完全可能使粘結(jié)面受拉破壞;當(dāng)膠層端面引入圓弧面后,粘結(jié)面正拉應(yīng)力顯著降低,圓弧面直徑越小,降低幅度越大;相同圓弧面直徑情況下,膠層端部金屬基體倒角處理后能進(jìn)一步降低粘結(jié)面上的正拉應(yīng)力。

4 試驗驗證

為了驗證組合圓盤粘結(jié)試件用于測試膠體抗剪性能的有效性,采用中國品牌“承華”膠的碳纖維布粘貼膠進(jìn)行對比試驗。該品牌膠為A、B組份膠,對比組采用一次調(diào)配的相同膠體。對比組包括：按中國國家標(biāo)準(zhǔn)[8]制作的一組共5個薄層金屬片單搭頭拉伸剪切試件(以下簡稱A組),端面圓孔直徑4 mm的一組共5個組合圓盤粘結(jié)試件(以下簡稱B組),端面圓孔直徑2.5 mm+倒角的一組共5個組合圓盤粘結(jié)試件(以下簡稱C組)。

B、C兩組組合圓盤各5個試件分別按0°、10°、20°、30°、40°進(jìn)行試驗,其中0°工況對應(yīng)純剪受力狀態(tài),其余工況對應(yīng)剪壓復(fù)合受力狀態(tài),圖15為試驗情景。

圖15 試驗情況

試驗結(jié)果表明,所有組合圓盤粘結(jié)試件的膠體均出現(xiàn)了剪切裂縫,最終均在粘結(jié)面破壞,膠體在兩側(cè)粘結(jié)面均有殘留,如圖16所示。

圖16 膠層破壞照片

根據(jù)破壞荷載和試件旋轉(zhuǎn)角可以計算出粘結(jié)面上的平均剪應(yīng)力和平均正壓應(yīng)力,圖17為B、C兩組組合圓盤粘結(jié)試件實測剪切強度與粘結(jié)面平均壓應(yīng)力之間的關(guān)系。

圖17 B、C組試件剪切強度與粘結(jié)面平均壓應(yīng)力關(guān)系曲線

根據(jù)實測數(shù)據(jù)計算的A組薄層金屬片單搭頭試件平均剪切強度為14.60 MPa。C組組合圓盤粘結(jié)試件(倒角、圓孔徑2.5 mm)純剪強度為38.93 MPa,遠(yuǎn)高于按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)試驗方法[8]中單層搭接接頭試件(A組)所得的實測值,這顯然是由于組合圓盤粘結(jié)面剪應(yīng)力分布相當(dāng)均勻,并且由于在粘結(jié)面端部引入圓弧面和倒角處理后,粘結(jié)面上消除了高的正拉應(yīng)力,使膠體與金屬基體之間的粘結(jié)剪切強度得以充分發(fā)揮。對比B、C兩組試驗結(jié)果可以看出,正壓應(yīng)力較小時B組抗剪強度低于C組,但當(dāng)正壓應(yīng)力較大時兩組試件的抗剪強度趨于一致。結(jié)合前述有限元計算分析結(jié)果可以看出,造成這一現(xiàn)象的主要原因在于,B組膠層端部圓弧面直徑較大,且未進(jìn)行倒角處理,膠層粘結(jié)面端部的正拉應(yīng)力高于C組相應(yīng)位置正拉應(yīng)力,造成試件提前破壞;當(dāng)正壓應(yīng)力較大時,由于平均壓應(yīng)力部分抵消了粘結(jié)面端部的拉應(yīng)力集中現(xiàn)象,使得B、C兩組的試驗結(jié)果逐步趨于一致。

實測結(jié)果還表明,隨著壓應(yīng)力的增加,粘結(jié)抗剪強度相應(yīng)提高,但提高幅度相當(dāng)緩慢,本次實測最大壓剪強度達(dá)46.98 MPa(對應(yīng)旋轉(zhuǎn)角40°)。

5 結(jié) 論

組合圓盤粘結(jié)試件能進(jìn)行粘結(jié)接頭的純剪試驗,也可方便地進(jìn)行粘結(jié)接頭的剪壓復(fù)合受力試驗。組合圓盤粘結(jié)試件中膠層的剪應(yīng)力分布很均勻,適合用于膠體與金屬基體間粘結(jié)剪切性能的測試。但是膠層端面平直時會在結(jié)合面上產(chǎn)生很高的正拉應(yīng)力,造成膠體的剪切性能不能有效發(fā)揮。對膠層端面引入圓弧面,可顯著改善膠層結(jié)合面的正拉應(yīng)力集中現(xiàn)象,圓弧面直徑越小改善效果越好。對引入圓弧面的膠層端部鋼質(zhì)基體進(jìn)行倒角處理,可以進(jìn)一步降低粘結(jié)面的正拉應(yīng)力。根據(jù)算例,選定膠層厚度1.3 mm,粘結(jié)膠層長度30mm,膠層端面圓弧面直徑2.5 mm,金屬基體在膠層端部倒角1mm(長度方向)：0.5mm(厚度方向)時,膠層與金屬基體間正拉應(yīng)力最大值可以低于20 MPa,不致引起受拉破壞,保證剪切試驗?zāi)苡行y試出膠層的粘結(jié)剪切強度。采用樣品膠體作出的實測結(jié)果證實了組合圓盤及上述細(xì)部構(gòu)造對測試膠層剪切性能的有效性。

由于組合圓盤粘結(jié)試件膠層中剪應(yīng)力分布均勻,通過在膠層端部引入圓弧面和進(jìn)行倒角處理,可以將粘結(jié)面上的正拉應(yīng)力降低到不致引起受拉破壞的水平,因此測試結(jié)果能很好地反映膠體與金屬基體之間的粘結(jié)剪切強度或剪壓復(fù)合強度,可作為粘結(jié)試件承載力設(shè)計的強度條件使用。

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(編輯 王秀玲)

A New Method for Measuring Bonding Shear Properties of Adhesives on Steel Substrates

QUANXue-you1a,b,LIULian-jie1a,WANGRen-yan1a,MASong2,YANYong3

(1a.Co llege of Civil Engineering;1b.Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain A rea,Ministry of Education,Chongqing 400045,P.R.China; 2.Chongqing A rchitectural Design Institute,Chongqing 400015,P.R.China; 3.No.1 Engineering Com pany of China Railway No.8 Engineering G roup Co.,Ltd,Chongqing 400050,P.R.China)

Single-lap-joint adhesively bonded metal specimen which is the national standard experimental method in usehas an extremely non-uniform distribution of shear stressesalong the joint,and tensile stress concentration of high values is produced on the steel substrate interfaces.Therefore the test result,which is not the real bonding shear strength between adhesive and steel substrates,can on ly be used as a test index for qualities of adhesives not the strength criterion for load is capacity evaluation.The combined bonding disc specimen is adopted for m easuring bonding shear properties of adhesive on steel substrates, has a very uniform distribution of shear stresses in adhesive and along the bonding surfaces of steel substrates,of which the uniform coefficient is greater than 0.97.Furthermore,when adhesive joint is treated as an arc and steel substrates are cham fered atboth ends of the joint,tensile stresses on the bonding surfaces can be reduced to less than 20 MPa w hich can hard ly cause tensile failure.Thus,the results of com bined bonding disc specimens can actually represent the real bonding shear strength or bonding shearcom p ression strength between adhesive and steel substrates,which can be used as strength criterion for load capacity evaluation of bonding members.

adhesive;steel substrates;bonding shear properties;com bined bonding disc specimen

TU365

A

1674-4764(2011)03-0031-07

2010-10-11

重慶市建設(shè)科技計劃項目(200917);重慶市交委計劃項目(200968)

全學(xué)友(1963-),男,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事結(jié)構(gòu)工程加固與改造研究,(E-mail)quanxueyou@163.com。